CN1579704A - 机加工设备 - Google Patents

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Abstract

一种机加工设备，通过由密度是4g/cm3以下的材料形成，使滑动工作台(13)等的重量成为现有的一半以下，驱动它的驱动电机的功率即使相同，在理论上也能把加速度提高到2倍，所以达到目标加工速度的时间减半，为此驱动电机的发热减半。而且测量滑动工作台(13)等的位置、把反馈加在驱动电机上的伺服机构的反应快，所以滑动工作台(13)等的运动精度和定位精度被提高。

Description

机加工设备
技术领域
本发明涉及具有3轴以上加工自由度的机加工设备。
背景技术
众所周知，用于对光学元件及其成型用模具进行切削加工和磨削加工等的机加工设备(参照专利文献1)。
参照专利文献1：特开2003-39294号公报。
在此，为了把对应于光学元件非球面的复杂曲面高精度地进行范成，2轴以下的加工自由度是不够的，需要3轴以上的加工自由度。可是用于对自由曲面的光学面进行范成加工的具有3轴以上加工自由度的机加工设备，其加工无论是切削加工还是磨削加工，都需要是一边接续很多的连续加工一边把加工面进行范成的整形加工，所以具有需要非常长加工时间的这种其他机加工设备加工所没有的特点。因此，为了把自由曲面高精度且高效率地进行范成加工，就需要把以下必要条件在以前的现有机加工设备上高水平实现。
[为实现高精度化的必要条件]
(1)提高机械的控制精度，因此为了提高各轴的位置测量分辨能力，把通过高速伺服驱动的工作台(滑动工作台和旋转工作台)高精度地控制和对伺服电机的驱动指令高速地随动，就需要使用密度小的材料来减轻驱动的工作台。
(2)由于各轴是两层和三层重叠的积木结构，在结构上刚性容易被降低，所以需要尽可能地提高各轴的刚性，因此降低静压导轨的压力传递介质的粘度和使用杨式模量高的材料是重要的。
(3)不受环境温度变化的影响也是非常重要的，使用静压导轨时为了抑制静压面上无用的发热，降低压力传递介质的粘度和对各部件选择线膨胀系数小的材料是重要的。
(4)能在环境变化变大之前完成加工，而且为了高效率进行加工需要缩短加工时间，需要使高速驱动轴用的伺服高速进行，并对位置测量的高分辨能力进行随动和降低压力传递介质的粘度以不发生静压面的刚性降低和振动。
(5)为了防止由地面的振动和机械自身摇动而产生的振动的影响，需要主动的防振台等用于测量振动并主动抑制它地进行控制。
现有的设备中没有能把超微级的高精度和高加工效率兼容的具有3轴以上加工自由度的机加工设备。
发明内容
本发明是鉴于现有技术的问题点而开发的，其目的在于提供一种机加工设备，能把高精度和高加工效率兼容并且具有3轴以上加工自由度。
本发明第1方面所述的机加工设备以3轴以上的自由度进行切削加工或磨削加工，其中，具有第一工作台，该第一工作台由陶瓷形成，夹持工件或工具，至少以1轴以上的自由度可直线移动。
根据现有技术的轴位置的测量分辨能力是10nm以下的高精度机加工设备中，其驱动工作台的材料几乎都是铸铁和S45C等的钢，其密度是7.8g/cm3左右。因此工作台重，用于驱动它所需要的伺服电机的功率也大，所以有来自该电机的发热量大的问题。而且由于不能使工作台高速运转，所以加工速度慢，加工时间长，在此期间若温度等环境产生变化，则由工作台热膨胀产生的变形和位置的偏移变大，有高精度加工困难的问题。
在加工自由度是3轴以上的机加工设备中，多是与进行整形加工的某轴做往复运动一致使其他轴运转，并使工具按自由曲面的剖面形状运转、通过把它立体堆积地切削和磨削曲面来进行范成加工，但该整形加工非常费时间，特别是范成高精度的光学面时，即使是数cm左右大小的加工物、其加工一般也需要数十小时。因此在此期间对温度等环境变化，如何使其难受影响或缩短加工时间使加工中的环境变化变小，在进行高精度的光学面范成上是非常重要的。
对此，根据本发明，通过把所述第一工作台由陶瓷形成，即使在产生温度变化的情况下，与钢等相比也能把热膨胀抑制降低，因此能维持加工精度，并且通过能轻量化而提高加减速性，能缩短加工时间。而且由于作为驱动所述第一工作台的轴驱动装置的电机等的容量低而足够用，所以在谋求节能的同时能抑制发热量，所以能实现更高精度的加工。
在加工自由度是3轴以上的机加工设备中，由于轴数多，所以不得不采取在某轴的工作台上再放置一个轴的工作台的结构，通常是通过2～3层工作台的堆积来构成3轴以上的多轴。这就是说累积各个轴的刚性来支承最终的工具和加工物，所以与通常的2轴以下的机加工设备相比，其轴的刚性表示出必须高出2～3倍。而且工具和加工物为了避开各轴运动的干涉，不得不外伸固定在从各轴导轨面远离的场所，所以加工时加工力作为力矩作用在导轨面上，而且是以刚性弱的形态进行加工，因此在高精度的3轴以上的加工中就需要尽可能地提高各轴的刚性。
对此，根据本发明，通过把所述第一工作台由陶瓷形成，例如与铸铁制的现有的工作台相比能大幅度地减轻重量，杨式模量也能成倍增加，所以能抑制由自重产生的垂度，固有频率也高了，所以成为难于产生共振等的结构。
本发明第2方面所述的机加工设备是在本发明第方面1所述的发明中，所述陶瓷的线膨胀系数是5×10-6以下，所以与铸铁等相比能把热膨胀抑制降低到一半以下，因此能维持加工精度，并且通过能轻量化而提高加减速性，能缩短加工时间。
本发明第3方面所述的机加工设备是在本发明第1方面或第2方面所述的发明中，所述陶瓷把氮化硅用Si3N4换算时含50％以上的重量，密度是4g/cm3以下，所以所述第一工作台的重量是现有的一半以下，即使驱动它的轴驱动装置(例如电机)的功率相同，在理论上也能把加速度变成2倍，因此到达目标加工速度的时间减半，为此轴驱动装置的发热量减半。而且检测所述第一工作台的位置、把反馈传递给驱动电机的伺服机构的反应快，所以所述第一工作台的运动精度和定位精度被提高。根据该观点只要密度小便可，但同时为了提高刚性、高的杨式模量也是必要的，所以应该考虑这些来选定材料。
本发明第4方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第3方面任一项所述的发明中，所述陶瓷的杨式模量是200Gpa以上，所以与铸铁等相比能把杨式模量提高30％以上，因此能提高所述第一工作台的刚性。
现有机加工设备的材料铸铁是主体，杨式模量也是150Gp左右而较低，若成为加工自由度是3轴以上的组合则不能期望其进行高精度加工。而且线膨胀系数也是10×10-6的过大，在长时间的加工中对变化的环境温度产生热膨胀，加工点进行偏移。如表1所示，在作为机械结构材料被考虑的材料中，综合杨式模量和线膨胀系数、则氮化硅和硅铝氧氮耐热陶瓷、炭化硅等陶瓷材料成为作为机加工设备使用材料的候补材料。这些陶瓷材料中硅铝氧氮耐热陶瓷是以氮化硅作为主体并含有氧化铝等的混合材料，但基本的物性是以其主成分的氮化硅为准的。因此作为陶瓷材料两者都是断裂韧性值高，所以具有不容易破裂的优点。特别是以氮化硅作为主成分的陶瓷材料，满足密度是4g/cm3以下，线膨胀系数是5×10-6以下，杨式模量是200Gpa以上的同时，更在断裂韧性高、难于破裂上是超群的，通过把该材料使用在3轴以上的机加工设备中能稳定进行极为高精度的加工。
[表1]
铸铁 花岗岩 因瓦合金 低热膨胀铸铁CS-5  Al2O3  Si3N4 硅铝氧氮耐热陶瓷 氮化硅
密度(g/cm3) 7.3  2.6  8.1  7.5  3.9  3.3  3.3  3.1
硬度(Hv) 200  500  190  160  1800  1400  1580  2200
断裂韧性(MN/m3) -  -  -  -  4.0  6.0  6.0  3.5
杨式模量(Gpa) 150  70  130  130  382  284  294  412
线膨胀系数(×10-6) 11  7.0  1.5  2  7.2  2.7  3.0  4.0
热传导率(M/mK) 41  18  11  13  29  13  21  83
本发明第5方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第4方面任一项所述的发明中，所述第一工作台通过伺服增益是-3dB的、频率是50Hz(最好是100Hz)以上的轴驱动装置而沿静压导轨被驱动。特别是为了提高加工效率而把所述第一工作台的移动速度增大时，也由于谋求所述第一工作台的重量轻等，所以即使所述轴驱动装置被高应答性的控制所支配，也能维持所述第一工作台的随动性，因此能使加工效率的提高和高精度的加工并存。
本发明第6方面所述的机加工设备是在本发明第5方面所述的发明中，所述轴驱动装置是线形电机。一般机加工设备的直线驱动中也使用滚珠丝杠和静压螺纹等，但如本发明用3轴以上进行切削加工和磨削加工的机加工设备，最好是为了谋求缩短加工时间并高精度化而用高速来驱动轴。滚珠丝杠中螺母是通过多个滚珠被支承在丝杠上的，所以轴的进给是通过滚珠接触转动进行的，因此越是高速越发生振动，高精度的加工困难。而且静压螺纹也是通过油的静压使丝杠与螺纹相对，用非接触进行支承，这点在不象滚珠丝杠那样成为振动源的点上是好的，但为了维持进给方向的刚性高，就需要提高油的粘度、在高速转动丝杠时有大的扭矩，在发热和必须加大驱动电机功率等的点上有问题。根据该观点，在本发明作为目标的高速且高精度的直线进给中可以说最好是使用能实现非接触并高加速的线性电机。而且本发明的机加工设备中应驱动的所述第一工作台是陶瓷制的，所以是非导电和非磁性材料，即使设置线性电机也与现有铸铁等的金属材料不同，向所述第一工作台和导轨泄漏的磁通非常少，也不产生由所述第一工作台的运转引起的涡电流和电动势，所以在能实现干扰少的高精度和高速进给的点上，可以说使用线性电机是非常合适的。
本发明第7方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第6方面任一项所述的发明中，具有测量所述第一工作台的位置，其分辨能力是10nm以下的测量装置，因此测量所述第一工作台的位置，把反馈给予轴驱动装置的伺服机构的反应快，所述第一工作台的运动精度和定位精度被提高。
本发明第8方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第7方面任一项所述的发明中，通过所述第一工作台夹持的工件或工具的加工速度是600mm/min以上。
在由加工自由度是3轴以上的机加工设备进行的自由曲面的范成加工中如前所述，多是堆积由往复运动产生的剖面形状，而把自由曲面进行范成的整形加工，所以有加工时间长的倾向。因此可以说加大加工速度、缩短加工时间不仅单单是提高加工效率，而且在降低加工中的温度变化等，实现高精度的加工上也是重要的。
在此决定加工速度上限的，主要是用于进行轴位置测量的激光度盘等的测量传感器的频率特性。越使用把测量精度提高了的传感器越输出精度高的位置信号，但因此即使是微小的轴的变位也输出大量的变位信号，所以在把轴高速运转时其输出频率容易到达数MHz。因此就超越了向测量传感器内的模拟放大电路和伺服驱动器的配线等的容许频带，轴的动作不进行随动而发生错误。
当把测量传感器的测量分辨能力定为高精度的以1nm为单位输出信号时，对600mm/min的轴速度，其频率是10MHz。该程度的频率是现状能维持精度并且能输出的测量传感器的最大频率值。因此为了在短时间内高效率且高精度地进行加工，最好在该现状下以可能的最高速度进行加工，今后若测量传感器的频率频带被改善的话，最好按其被改善的部分提高加工速度。因此如本发明把加工速度定在600mm/min以上是还包括今后的从加工效率和加工精度看最理想的。
为了与高速驱动并存地高精度地控制轴，伺服控制能力也需要能对该测量传感器的频带充分随动，但伺服回路的频率频带通常是50～100Hz左右，即使快也是250Hz左右，与所述测量传感器的频带相比有格外慢的实情。进行该伺服控制的电路通常是近数100kHz的频带，所以也知道该部分的反应速度不太影响伺服回路的频带。即决定伺服频带的几乎是机械的灵敏度，指令信号用驱动电机变换成驱动力后传递给所述第一工作台或所述第二工作台，为要它们运转所需要的时间慢是主要的。因此就能够理解，如本发明那样降低所述第一工作台的重量，降低惯性力和惯性力矩，提高机械的灵敏度在提高伺服频带，实现与高速性并存的高精度加工上是何等有效。
本发明第9方面所述的机加工设备是在本发明第8方面所述的发明中，所述第一工作台在所述机加工设备中用最高速驱动，所以能更加发挥上述效果。
本发明第10方面所述的机加工设备是在用3轴以上自由度进行切削加工或磨削加工的机加工设备中，夹持工件或工具至少以1轴以上的自由度能旋转的第二工作台由陶瓷形成。
构成现有旋转工作台的材料几乎都是铸铁和钢。因此旋转工作台重，用于驱动它所需要的伺服电机的功率大，来自轴驱动装置(例如电机)的发热大。而且由于不能高速运转旋转工作台，所以加工速度慢，因此而加工时间长，温度等的环境变化大、所以由旋转工作台的热膨胀引起的变形和工具与加工物的位置偏移大，进行高精度的加工困难。
对此，根据本发明，通过把所述第二工作台由陶瓷形成，即使在产生温度变化的情况下，与钢等相比也能把热膨胀抑制降低，因此能维持加工精度，并且通过能轻量化而提高加减速性、能缩短加工时间。而且由于作为驱动所述第二工作台的轴驱动装置的电机等的容量低而足够用，所以在谋求节能的同时能抑制发热量，所以能实现更高精度的加工。
本发明第11方面所述的机加工设备是在本发明第10方面的发明中，所述陶瓷的线膨胀系数是5×10-6以下。本发明的作用效果与本发明第方面2所述的发明相同。
本发明第12方面所述的机加工设备是在本发明第10方面或第11方面所述的发明中，所述陶瓷把氮化硅用Si3N4换算时含50％以上的重量，密度是4g/cm3以下。本发明的作用效果与本发明第方面3所述的发明相同。
本发明第13方面所述的机加工设备是在本发明第10方面到第12方面任一项所述的发明中，所述陶瓷的杨式模量是200Gpa以上。本发明的作用效果与本发明第4方面所述的发明相同。
本发明第14方面所述的机加工设备是在本发明第10方面到第13方面任一项所述的发明中，所述第二工作台通过伺服增益是-3dB的、频率是50Hz(最好是100Hz)以上的轴驱动装置而沿静压导轨被驱动。本发明的作用效果与本发明第5方面所述的发明相同。
本发明第15方面所述的机加工设备是在本发明第14方面的发明中，所述轴驱动装置是AC伺服电机。能旋转的第二工作台用DC伺服电机和通过齿轮把旋转角的分辨能力增加等方法能进行旋转驱动，但DC伺服电机中有电刷，所以由其摩擦力和接触阻力的变化等使稳定维持高精度的旋转角困难。在使用蜗轮和蜗杆等减速齿轮时，外表上让人觉得仅减速比的倍率就提高了角度的分辨能力，但实际上由齿轮的静摩擦力而产生粘滞滑动和由齿轮之间的松动而产生齿隙，使微小旋转角的控制反而变难。而且把这些外部电机安装在旋转轴上的方法必定使电机轴与旋转轴的连接产生偏心，当控制旋转角与实际的旋转角不严格一致时、为了缓和由该偏心产生的扭歪和扭矩不匀则使用有柔软性的联轴器部件把两轴进行连接，但由该部件使扭矩刚性下降、反馈控制的频带降低并使伺服控制特性恶化，所以肯定与本发明实现高精度加工的目的不一致。
对于这点，把永久磁铁直接设置在旋转轴上的直接的AC伺服电机没有电刷那样的摩擦部件，能非接触地直接使旋转轴产生扭矩，扭矩刚性也被提高，所以如本发明在3轴以上的机加工设备上使用时，在进行高精度的加工上非常理想。虽然内装的AC伺服电机的线圈部分产生热量，但如本发明是用陶瓷构成的其旋转的第二工作台，热膨胀小，所以第二工作台上的工具和工件的位置温度偏移就小，而且即使对安装有该第二工作台的第一工作台等也由于氮化硅和硅铝氧氮耐热陶瓷的陶瓷热传导率非常低而难于传导温度、难于引起热膨胀，所以情况非常好。即使用AC伺服电机时的问题在本发明中被很好解决，因此可以说在旋转的第二工作台的驱动中使用AC伺服电机好。
本发明第16方面所述的机加工设备是在本发明第10方面到第15方面任一项所述的发明中，具有测量所述第二工作台的角度、其分辨能力是1秒角以下的测量装置。本发明作用效果与本发明第7方面所述的发明相同。
本发明第17方面所述的机加工设备是在本发明第10方面到第16方面任一项所述的发明中，通过所述第二工作台夹持的工件或工具的加工旋转速度是1°/sec以上。本发明的作用效果与本发明第8方面所述的发明相同。
本发明第18方面所述的机加工设备是在本发明第17方面所述的发明中，所述第二工作台在所述机加工设备中用最高速驱动。本发明的作用效果与本发明第9方面所述的发明相同。
本发明第19方面所述的机加工设备是在本发明第10方面到第18方面任一项所述的发明中，支承所述第二工作台的支承台是由线膨胀系数是5×10-6以下，把氮化硅用Si3N4换算时含50％以上的重量且密度是4g/cm3以下，以及杨式模量是200Gpa以上中至少满足其中一个条件的陶瓷和含镍10％重量以上50％重量以下的合金的至少一方的材料所形成。特别是，是把所述第二工作台安装在所述第一工作台上的情况下，所述支承台最好是由含镍10％重量以上50％重量以下的合金(例如因瓦合金和高镍铬合金钢904等)形成。
本发明第20方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第19方面任一项所述的发明中，所述静压导轨以及固定它用的底座的至少一个是由满足线膨胀系数是5×10-6以下，把氮化硅用Si3N4换算时含50％以上的重量且密度是4g/cm3以下，以及杨式模量是200Gpa以上之中的至少一个条件的陶瓷所形成。
由加工自由度是3轴以上的机加工设备进行的整形加工非常需要时间，而且各轴是被堆积成两层和三层，所以实际上是通过底座与加工点之间的工具台和工作台等中间物，安装工具和加工物的外伸大，在由温度变化而工作台和静压导轨膨胀收缩时，工具和加工物的相对位置并不是单一方向的活动，有并发瞬时摇摆的问题。堆积高了的工作台不能从下到上温度均匀，所以对堆积的各个轴、工作台分别发生膨胀收缩，与其对应最终的工具加工点与加工物的位置进行复杂的变位。因此修正由该温度变化引起的加工变位(偏移)几乎是不可能的，可以说为了防止它、首先应该使这个膨胀收缩彻底地变小。
但象现有机加工设备这样用铸铁和钢制作工作台和静压导轨，则防止这种膨胀收缩的影响是极为困难的，所以为了保持高的温度稳定性、最好把第一及第二工作台和静压导轨的材料的线膨胀系数定为5×10-5以下。如从表1了解的那样，该数值是铸铁和钢线膨胀系数的一半，这样水平和垂直成为分别热膨胀一半，所以加工点的3维变动范围成为1/8，在温度稳定性上得到非常大的效果。
作为另一个大的加工点偏移主要原因是固定各轴的底座的膨胀收缩。底座大，所以热容量大，因此即使局部产生温度差也不均衡，总是不断地慢慢传导热，维持局部产生温度差不动。由这种特性、在由于加工而底座一部分的温度发生变化时，该部分膨胀收缩地变动、则发生总是不能抑制变动的现象。例如在切削和磨削加工中使用的加工点的冷却油等落在底座上时，则该部分的温度发生变化，底座开始变动，只要冷却油落下(只要持续加工)则该部分的温度不变，而且该温度扩散到整个底座达到均衡状态则需要非常长的时间，所以在该期间底座一直在持续变动。底座的情况是热容量大，所以产生这种温度偏移时，其上固定的轴仅在一个方向上移动，是不使发生瞬间活动的几乎仅是平行移动，所以若捕捉到轴移动的倾向的话，则该修正也不是不可能。但长达数十小时的这种偏移进行累积时就成为大的变位，所以没完全修正的残差也大。在此也不是对产生的膨胀收缩进行对策，但知道降低这个膨胀收缩是非常有效的。因此构成底座的材料也不是象现有那样的铸铁和花岗岩，通过使用比它们的线膨胀系数小一半左右的材料能把加工点的温度偏移减半。这时在高度方向上不太有影响，但能减少与底座平行的面上大的一个方向的偏移，能进行高精度自由曲面光学面的范成。
本发明第17方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第16方面任一项所述的发明中，所述第一工作台、所述第二工作台、所述静压导轨以及用于固定它们的底座的至少一个是由杨式模量是200Gpa以上的材料形成的。
现有是工作台和静压导轨的材料铸铁是中心，其杨式模量是150Gpa左右。这意味着每1cm2的断面积能承担1000N的载重和10cm的长度也有10μm长度的变化。因此在结构上没有采取大的体积和断面积的部分其刚性就低，在加工时由产生的吃刀抗力和切削力其位置容易变位。即在多轴机加工设备中现有铸铁材料的结构有不可避免的不仅结构部分的，而且是由材料本身的弹性变形引起的刚性低下的问题。
对此，如本发明那样，只要把所述第一工作台、所述第二工作台、所述静压导轨以及用于固定它们的底座的至少一个材料的杨式模量变成200Gpa以上，就成为现有材料杨式模量的2倍的值，所以能把所述10cm的变位减半。
本发明第21方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第20方面任一项所述的发明中，所述静压导轨的压力传递介质是液体，其粘度是10pois以下。
一般来说为了把轴动作变成高精度就需要降低其导轨的摩擦力，因此通常在高精度机加工设备中使用静压导轨。但工作台运动为高速的情况下，向静压导轨的间隙内放出的压力传递介质由其粘性阻力产生剪切发热，从静压面把工作台变热而热膨胀，这样工具和加工物的位置变位，有妨碍高精度加工的问题。
防止这点最有效的办法之一就是把静压导轨内使用的压力传递介质的粘度降低。这样在静压间隙中流动时的粘性阻力减少，不仅发热被抑制，而且还能降低压力损失，所以不减少供给压力而在静压面上起作用，能提高刚性。即降低压力传递介质的粘度对抑制发热和提高刚性这高精度加工中需要的两个要件有效果。而且若把轴速度加大到压力传递介质在静压导轨内间隙中的流速以上的话，则压力传递介质不能随动，产生不遍及到整个静压面上的现象。该现象使静压导轨的刚性大幅度降低，由不稳定的静压支承而产生振动，所以成为妨碍轴高速驱动的原因。为了防止这点，有时就降低压力传递介质的粘度，这样压力传递介质的剪切摩擦力减少，在高速驱动时也能使压力传递介质遍及到整个静压面上。其结果是轴的高速驱动成为可能。
静压导轨内的压力传递介质，即使是在相同的供给压力下也是液体能比具有压缩性的气体刚性高，而且减振特性好，所以在变成高压时难于发生振动，对急剧变化的外力也感觉迟钝，所以是理想的。因此既然压力传递介质是液体，则根据供给泵的密封情况和供给压力的能力，根据所述理由最好其粘度是10pois以下，同时以接近水的1pois左右为下限。
实际上，对把静压导轨的间隙定为10μm、把30pois粘度的油作为压力传递介质时、供给20个气压能得到1000N/μm刚性的工作台，在变更静压衬垫的小孔径、使用2pois粘度的油时，以5个气压的供给压力能得到1200N/μm的刚性。而且工作台的温度通过油的供给，与前者的上升将近1℃相对，后者是0.1℃的几乎没有温度变化。
本发明第22方面所述的机加工设备是在本发明第1方面到第21方面任一项所述的发明中，具有主动抑制装置，用于抑制从设置所述机加工设备的地面对所述机加工设备传递振动。在此所说的“主动抑制装置(也叫能动抑制装置)”是指：具有测量振动源地面的变位和速度、加速度等的测量元件，还具有把座进行微小驱动的机构，而且以测量元件的输出为基准、消除振动地使座振动，这样来进行除振，即把向机加工设备振动的传递抑制或遮断的装置。
市场上小销售的加工自由度是2轴和3轴的机加工设备有的通过把其本体放置在叫做空气座的空气弹簧上来消除来自地面的微细振动，实现高精度加工。但该空气座对10Hz以上的频率比较有效进行除振，由于在数Hz的地方一定具有共振点，所以低频振动大部分从地面传递到机加工设备本体。根据情况有时地面的振动还被放大向机加工设备本体传递。因此有效消除地面振动对高精度加工是不可缺少的，特别是对3轴以上的机加工设备，其轴2层和3层地堆积，重心变高，并用其底面固定在底座上，所以是比现有的2轴以下的机加工设备容易发生瞬时摇动的结构。即3轴以上的机加工设备在结构上有对微细振动的共振频率低的倾向。因此现有的空气座对低频具有共振点的这点情况非常不好，用这种被动的空气座支承3轴以上的高精度机加工设备来进行高精度加工困难大。但现在没有从这种观点进行考虑，所以也没有使用主动空气座来对低频振动进行能动的除振。
加工自由度是3轴以上的机加工设备最好通过即使对低频也不具有共振点的主动空气座来高效除去地面振动、发挥稳定的加工精度。特别是主动空气座的控制方法是重要的。现有的2轴以下的机加工设备其各轴是单独地固定在底座上而存在于水平面内，所以对水平方向的2轴和绕铅垂轴的旋转振动进行主动控制时对加工结果良好，相反而对铅垂方向的平行振动进行主动控制时几乎没有效果，由于3轴以上的机加工设备具有在铅垂方向上的驱动滑动，所以主动控制即使对该方向的平行振动也有效果，进行主动控制对也包括绕水平轴旋转的2轴的全部6个自由度都有效。这样，可以说很好考虑轴的驱动方向和特性、进行除去振动的控制，分别把控制振动参数最佳化是重要的。
本发明第23方面所述的机加工设备是在3轴以上的机加工设备中具有：第一工作台，其由密度是4g/cm3以下的原材料构成，通过伺服增益-3dB的频率是50Hz(最好是100Hz)以上的轴驱动装置沿静压导轨移动；测量装置，测量所述第一工作台的位置，分辨能力是10nm以下。
本发明第24方面所述的机加工设备是在本发明第23方面所述的发明中，具有：第二工作台，由密度是4g/cm3以下的原材料构成，沿静压导轨旋转；测量装置，测量所述第二工作台的角度，分辨能力是1秒角以下。
本发明第25方面所述的机加工设备是在本发明第23方面或第24方面所述的发明中，加工速度在600mm/min以上。
本发明第26方面所述的机加工设备是在本发明第23方面到第25方面任一项所述的发明中，所述第一工作台、所述第二工作台、所述静压导轨以及用于固定它们的底座的至少一个是由线膨胀系数是5×10-6以下的材料形成的。
本发明第27方面所述的机加工设备是在本发明第23方面到第26方面任一项所述的发明中，所述第一工作台、所述第二工作台、所述静压导轨以及用于固定它们的底座的至少一个是由杨式模量是200Gpa以上的材料形成的。
本发明第28方面所述的机加工设备是在本发明第23方面到第27方面任一项所述的发明中，所述静压导轨内的压力传递介质是液体，其粘度是10pois以下。
本发明第29方面所述的机加工设备是在本发明第23方面到第28方面任一项所述的发明中，具有主动抑制装置，用于抑制从设置了所述机加工设备的地面对所述机加工设备的振动传递。
本发明第30方面所述的机加工设备是在本发明第23方面到第29方面任一项所述的发明中，所述第一工作台、所述第二工作台、所述静压导轨以及用于固定它们的底座的至少一个是由把氮化硅的成分用Si3N4换算时含50％以上的重量的材料形成的。
根据本发明能提供能把高精度和高加工效率并存的具有3轴以上加工自由度的机加工设备。
附图说明
图1是本实施例5轴机加工设备10的立体图；
图2是本实施例变形例的滑动工作台和旋转工作台的剖面图；
图3是本实施例其他变形例的滑动工作台和旋转工作台的剖面图；
图4是本实施例又一其他变形例的滑动工作台的剖面图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例。图1是本实施例5轴机加工设备10的立体图。在图1中，利用4根腿(仅图示了3根)11a支承在地面F上的主动空气座11是抑制振动传递的抑制装置，具有使地面的振动不向底座12传递的功能。
在支承在主动空气座11上的底座12的导轨12a上设置有能在Z轴方向上移动的滑动工作台13，在滑动工作台13上设置有能旋转的旋转工作台14。而且滑动工作台13对导轨12a和旋转工作台14对滑动工作台13分别通过未图示的静压导轨把液体作为介质以低摩擦支承。
底座12上，跨架在一对支承台15上的导轨15a上设置有能在X轴方向上移动的滑动工作台16，在滑动工作台16的导轨16a上设置有能在Y轴方向上移动的滑动工作台17，在滑动工作台17上设置有能旋转的旋转工作台18。而且滑动工作台16对导轨15a，滑动工作台17对导轨16a和旋转工作台18对滑动工作台17分别通过未图示的静压导轨把油作为介质用低摩擦支承。
本实施例在是第一工作台的滑动工作台13、16、17上设置有测量分辨能力是1nm的激光度盘，能测量其移动量，是作为伺服增益-3dB的频率是50Hz(最好是100Hz)以上的轴驱动装置的线性电机进行驱动。另一方面是第二工作台的旋转工作台14、18上设置有角度分辨能力是0.1秒的旋转式编码器，能测量旋转角度。本实施例的静压导轨中油的粘度是3pois，供给压力是5个气压。这时滑动轴的水平·垂直方向的刚性是1350N/μm，是足够是值。
滑动工作台13、16、17和旋转工作台14、18以及静压导轨是氮化硅制，旋转轴是把转子部分用氮化硅制、把定子部分用线膨胀系数是4×10-6的特殊合金制。支承台15是使用因瓦合金。底座12使用焊接的线膨胀系数是4×10-6的特殊合金板。该特殊合金的杨式模量是130Gpa，但通过把板厚定为40mm就确保了作为底座面所需要的刚性。
把自由曲面光学面的加工物安装在旋转工作台14上，把金刚石工具(未图示)安装在旋转工作台18上，使滑动工作台13、16、17和旋转工作台14同时(用4轴)进行整形切削加工。滑动工作台13的进给速度是600mm/min以上，加工时间是36小时。切削面表面粗糙度是Rmax 5nm，形状精度是57nm，达到市场上销售的多轴机加工设备加工精度的约3倍的高精度。
图2是本实施例变形例的滑动工作台和旋转工作台的剖面图(相当于图1中用II-II线剖开的剖面图)。图2中在底座12的导轨支承部12a上固定有由陶瓷形成的在与纸面垂直的方向上延伸的平板状导轨12b。并配置有由陶瓷形成的剖面是コ字状的滑动工作台113而把导轨12b覆盖。
滑动工作台113在与导轨12b的上面相对的内周下面上形成静压衬垫(是薄的空间或是多孔质材料，以下相同)113a、113a，在与导轨12b的侧面相对的内周侧面上形成静压衬垫113b、113b，在与导轨12b的下面相对的内周上面上形成静压衬垫113c、113c。通过在滑动工作台113内延伸的孔113d从外部向各静压衬垫113a～113c供给规定压力的油。而且滑动工作台113上固定有未图示的编码器，而与之相对地在底座12上设置有未图示的传感器，能以分辨能力10nm以下来测量滑动工作台113对底座12的移动量。由编码器和传感器构成测量装置。
滑动工作台113的上面固定有支承台120。为了埋设后述的线圈等、支承台120最好是因瓦合金等的合金，但若能加工的话也可使用陶瓷。
大致是中空圆筒状的支承台120，其内部包有旋转工作台单元114。更具体地说就是旋转工作台单元114通过圆盘状的缩径部114f，具有把由磁性材料形成的下部齿形部114a和由陶瓷形成的上部圆盘部114b连接的形状。齿形部114a在外周上形成多个齿，通过把每一个齿磁化而交替配置有N极和S极。在支承台120的内周面上与该齿相对地配置有仅比齿形部114a的齿数多1的线圈C。由齿形部114a和线圈C构成AC伺服电机。
在齿形部114a的下面固定有编码器114c，而与之相对地在支承台120上设置有传感器114d，能以分辨能力1秒角度以下来测量旋转工作台单元114对支承台120的旋转角度。由编码器114c和传感器114d构成测量装置。
支承台120在与齿形部114a的上面相对的上部凸缘120f的下面上形成环状的静压衬垫120a，在与缩径部114f的外周面相对的上部凸缘120f的内周面上形成环状的静压衬垫120b，在与齿形部114a的下面相对的下部凸缘120e的上面上形成环状的静压衬垫120c。通过在支承台120内延伸的孔120d从外部向各静压衬垫120a～120c供给规定压力的油。
对本实施例的动作进行说明。通过从外部的油压源向配管113d供给油，使油从静压衬垫113a～113c排出，安装有支承台120的滑动工作台113用该静压以非接触状态支承在导轨12b上。在该状态下通过未图示的线性电机的驱动，滑动工作台113移动到对底座12希望的位置上。
通过从外部的油压源向配管120d供给油，使油从静压衬垫120a～120c排出，夹持着未图示工件的旋转工作台单元114用该静压以非接触状态支承在支承台120上。在该状态下，通过把交变电流付与线圈C使齿形部114a被磁性驱动，旋转工作台单元114仅以希望的角度对支承台120旋转。
根据本实施例把作为第一工作台的滑动工作台113用陶瓷形成，所以即使产生温度变化时，与钢等相比也能把热膨胀抑制降低，因此能维持加工精度，并且通过能轻量化而提高加减速性，能缩短加工时间。特别是使用相同线膨胀系数的陶瓷形成导轨12b，所以在产生温度变化时产生相同的热膨胀，能把静压间隙变化抑制到最小限度地进行高精度加工。而且作为驱动滑动工作台113的轴驱动装置的线性电机等容量虽然低但也足够，所以在谋求省能的同时还能抑制发热量，因此能实现更高精度的加工。
根据本实施例把作为第二工作台的旋转工作台单元114用陶瓷形成，所以即使产生温度变化时，与钢等相比也能把热膨胀抑制降低，因此能维持加工精度，并且通过能轻量化而提高加减速性，能缩短加工时间。而且使用线膨胀系数相近的因瓦合金等的合金形成支承台120，所以在产生温度变化时有相近的热膨胀量，能把静压间隙变化抑制到最小限度地进行高精度加工。而且作为驱动旋转工作台单元114的轴驱动装置的AC伺服电机等虽然容量低但也足够，所以在谋求省能的同时还能抑制发热量，因此能实现更高精度的加工。
图3是具有本实施例又一其他变形例的与图2同样的剖面图。配置在底座12上由陶瓷制的导轨212b、212b在图中被左右分割，第一工作台陶瓷制的滑动工作台213在导轨212b、212b之间形成在长度方向上延伸的隆起部213f，在其侧面设置静压衬垫213b、213b。通过这样能使滑动工作台213的挠度消失，从而能提高支承刚性。
第二工作台陶瓷制的旋转工作台单元214的缩径部214f随着朝向中央就更加缩径的双锥形状。而且从支承台220延伸的上部凸缘220f，其半径方向的内边缘与缩径部214f相对应而成为锥体形状，在其上下斜面上设置有环状的静压衬垫220a、220b。除此以外的结构则与图2所示的变形例相同，所以省略其说明。
图4是具有本实施例又一其他变形例的与图2同样的剖面图，但省略了支承台和旋转工作台单元。在图4中，配置在底座12上由陶瓷制的导轨312b，其剖面具有倒梯形形状，同样地，由陶瓷制的滑动工作台313也具有以它对应的内周面形状。
第一工作台的滑动工作台313在与导轨312b的上面相对的内周下面上形成有静压衬垫313a，在与导轨312b的侧斜面相对的内周侧斜面上形成有静压衬垫313b、313b，在与导轨312b的下面相对的下面上形成有静压衬垫313c、313c。通过在滑动工作台313内延伸的孔313d从外部向各静压衬垫313a～313c供给规定压力的油。除此以外的结构则与图2所示的变形例相同，所以省略其说明。
以上参照实施例能说明本发明，但本发明并不应限定于上述实施例的解释，当然可以进行适当的变更、改进。例如至少通过把用最高速驱动的工作台由陶瓷形成，从而发挥本发明的效果。

Claims (33)

1.一种机械加工设备，其用于进行切削加工和磨削加工中的至少一种，包括：
一固定底座；以及
一加工装置，其安装在该固定底座上且具有多于两个轴的自由度以进行切削加工和磨削加工中的至少一种，该加工装置包括一第一工作台，该第一工作台由陶瓷材料形成，且在夹持工件或工具的同时可以以至少一个轴或更多个轴的自由度线性移动。
2.根据权利要求1的机械加工设备，其中该陶瓷材料具有不超过5×10-6K-1的线膨胀系数。
3.根据权利要求1的机械加工设备，其中该陶瓷材料以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超过4g/cm3的密度。
4.根据权利要求1的机械加工设备，其中该陶瓷材料具有至少200GPa的杨氏模量。
5.根据权利要求1的机械加工设备，其中该第一工作台被轴驱动装置沿静压导轨驱动，该轴驱动装置具有至少50Hz的频率和-3dB的伺服增益。
6.根据权利要求5的机械加工设备，其中该轴驱动装置为线性电机。
7.根据权利要求1的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于测量该第一工作台的位置的分辨能力不大于10nm的测量装置。
8.根据权利要求1的机械加工设备，其中被该第一工作台夹持的工件或工具的加工速度不低于600mm/min。
9.根据权利要求8的机械加工设备，其中，该第一工作台以该机械加工设备中的最高速度被驱动。
10.一种用于进行切削加工和磨削加工中的至少一种的机械加工设备，包括：
一固定底座；以及
一加工装置，其安装在该固定底座上且具有多于两个轴的自由度以进行切削加工和磨削加工中的至少一种，该加工装置包括一第二工作台，该第二工作台由陶瓷材料形成，且在夹持工件或工具的同时可以以至少一个轴的自由度旋转。
11.根据权利要求10的机械加工设备，其中该陶瓷材料具有不超过5×10-6K-1的线膨胀系数。
12.根据权利要求10的机械加工设备，其中该陶瓷材料以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超过4g/cm3的密度。
13.根据权利要求10的机械加工设备，其中该陶瓷材料具有至少200GPa的杨氏模量。
14.根据权利要求10的机械加工设备，其中该第二工作台被轴驱动装置沿静压导轨驱动，该轴驱动装置具有至少50Hz的频率和-3dB的伺服增益。
15.根据权利要求14的机械加工设备，其中该轴驱动装置为AC伺服电机。
16.根据权利要求10的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于测量该第二工作台的角度的分辨能力不大于1角秒的测量装置。
17.根据权利要求10的机械加工设备，其中被该第二工作台夹持的工件或工具的旋转加工速度不小于1度/秒。
18.根据权利要求17的机械加工设备，其中该第二工作台以该机械加工设备中的最高速度被驱动。
19.根据权利要求10的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于支承该第二工作台的支承台，且该支承台由满足以下条件中的至少一条的陶瓷材料和含10％重量至50％重量的镍的合金中的至少一种形成，所述条件为：具有不超过5×10-6K-1的线膨胀系数；以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超过4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的杨氏模量。
20.根据权利要求5的机械加工设备，其中至少该静压导轨和用于固定该导轨的底座中的一个由满足以下条件中的至少一条的陶瓷材料形成，所述条件为：具有不超过5×10-6K-1的线膨胀系数；以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超过4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的杨氏模量。
21.根据权利要求14的机械加工设备，其中至少该静压导轨和用于固定该导轨的底座中的一个由满足以下条件中的至少一条的陶瓷材料形成，所述条件为：具有不超过5×10-6K-1的线膨胀系数；以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超过4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的杨氏模量。
22.根据权利要求5的机械加工设备，其中该静压导轨的压力传递介质为黏度不超过10pois的液体。
23.根据权利要求14的机械加工设备，其中该静压导轨的压力传递介质为黏度不超过10pois的液体。
24.根据权利要求1的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于抑制振动自地板传递至该机械加工设备的主动控制装置，该机械加工设备安装在该地板上。
25.根据权利要求10的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于抑制振动自地板传递至该机械加工设备的主动控制装置，该机械加工设备安装在该地板上。
26.一种用于进行切削加工和磨削加工中的至少一种的机械加工设备，包括：
一固定底座；以及
一加工装置，其安装在该固定底座上且具有多于两个轴的自由度以进行切削加工和磨削加工中的至少一种，该加工装置包括一第一工作台和用于测量该第一工作台的位置的一测量装置，该第一工作台由密度不超过4g/cm3的材料形成，且被驱动装置沿第一静压导轨移动，该驱动装置具有至少50Hz的频率和-3dB的伺服增益，该测量装置具有不大于10nm的分辨能力。
27.根据权利要求26的机械加工设备，其中该加工装置还包括：沿第二静压导轨旋转的由密度不超过4g/cm3的材料制成的第二工作台；以及用于测量该第二工作台的角度的分辨能力不大于1角秒的测量装置。
28.根据权利要求26的机械加工设备，其中加工速度不低于600mm/min。
29.根据权利要求27的机械加工设备，其中至少该第一工作台、该第二工作台、该第一静压导轨、该第二静压导轨和用于固定它们的底座中的一个由线性膨胀系数不超过5×10-6K-1的材料形成。
30.根据权利要求27的机械加工设备，其中至少该第一工作台、该第二工作台、该第一静压导轨、该第二静压导轨和用于固定它们的底座中的一个由杨氏模量不低于200GPa的材料形成。
31.根据权利要求26的机械加工设备，其中该第一静压导轨的压力传递介质为黏度不超过10pois的液体。
32.根据权利要求27的机械加工设备，其中该加工装置还包括用于抑制振动自地板传递至该机械加工设备的主动抑制装置，该机械加工设备安装在该地板上。
33.根据权利要求27的机械加工设备，其中至少该第一工作台、该第二工作台、该第一静压导轨、该第二静压导轨和用于固定它们的底座中的一个由以Si3N4计算时包含至少50％重量的氮化硅成分的材料形成。
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